Ученые из ETH Zurich открыли новый тип магнетизма. Эксперименты показывают, что искусственно созданный материал становится магнитным по механизму, который раньше не наблюдался.
Самая известная форма магнетизма – та, которая присутствует в обычных магнитах на холодильнике – это так называемый ферромагнетизм, который возникает, когда спины всех электронов в материале указывают в одном направлении. Но есть и другие формы, такие как парамагнетизм, более слабая версия, которая возникает, когда спины электронов направлены в случайные стороны.
В новом исследовании ученые ETH обнаружили странную новую форму магнетизма. Исследователи изучали магнитные свойства муаровых материалов — экспериментальных материалов, полученных путем сложения двумерных листов диселенида молибдена и дисульфида вольфрама. Эти материалы имеют решетчатую структуру, которая может содержать электроны.
Чтобы выяснить, каким типом магнетизма обладают эти муаровые материалы, команда сначала «влила» в них электроны, подав электрический ток и постепенно увеличивая напряжение.
Затем, чтобы измерить его магнетизм, они направили лазер на материал и измерили, насколько сильно этот свет отражается для разных поляризаций, что может определить, направлены ли спины электронов в одном и том же направлении (что указывает на ферромагнетизм) или в случайных направлениях (для парамагнетизма).
Первоначально материал проявлял парамагнетизм, но по мере того, как ученые добавляли в решетку больше электронов, он продемонстрировал внезапный и неожиданный сдвиг, став ферромагнитным.
Интересно, что этот сдвиг произошел именно тогда, когда решетка заполнилась более чем на один электрон на узел решетки, что исключило обменное взаимодействие – обычный механизм, который управляет ферромагнетизмом.
«Это было поразительное свидетельство существования нового типа магнетизма, который нельзя объяснить обменным взаимодействием», — сказал Атач Имамоглу, ведущий автор исследования.
Ученые предложили другой механизм: когда в узлы решетки попадает более одного электрона, они объединяются в частицы, называемые «дублонами», которые в конечном итоге заполняют всю решетку посредством квантового туннелирования.
Однако при этом электроны минимизируют свою кинетическую энергию, что они и делают, выравнивая свои спины, создавая тем самым ферромагнетизм. Этот «кинетический магнетизм» теоретически предсказывался на протяжении десятилетий, но ранее не наблюдался в твердых материалах.
Исследователи планируют более внимательно изучить это явление, в том числе выяснить, можно ли его достичь при более высоких температурах. Ведь для этого эксперимента материал нужно было охладить почти до абсолютного нуля.
Исследование было опубликовано в журнале Nature.